Đánh giá độ nhạy và độ đặc hiệu của que thử sắc ký miễn dịch nano từ tính tự tạo trong phát hiện nhanh kháng nguyên ns1 của virus dengue

Tạp chí y - dợc học quân số 5-2021 ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHẠY VÀ ĐỘ ĐẶC HIỆU CỦA QUE THỬ SẮC KÝ MIỄN DỊCH NANO TỪ TÍNH TỰ TẠO TRONG PHÁT HIỆN NHANH KHÁNG NGUYÊN NS1 CỦA VIRUS DENGUE Đỗ Như Bình1,2, Lê Văn Nam1 TĨM TẮT Mục tiêu: Đánh giá độ nhạy độ đặc hiệu que thử sắc ký miễn dịch sử dụng hạt nano từ tính tự tạo phát kháng nguyên NS1 virus Dengue Đối tượng phương pháp: Sử dụng hạt nano từ tính gắn kháng thể đơn dịng đặc hiệu kháng nguyên NS1 kết hợp màu enzyme để chế tạo que thử sắc ký miễn dịch từ tính, áp dụng phát NS1 mẫu nhiễm chủ động huyết bệnh nhân để xác định ngưỡng phát hiện, độ nhạy, độ đặc hiệu Kết quả: Que thử có khả phát NS1 từ mức 0,025 ng/ml týp týp 3; 0,01 ng/ml týp 0,1 ng/ml týp Độ nhạy độ đặc hiệu đạt 100%, cao so với que thử thương mại Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, Mỹ) khơng có phản ứng chéo với kháng nguyên NS1 virus zika virus Chikungunya, viêm não Nhật Bản, HBV HCV Kết luận: Que thử nano từ tính có khả xác định nhanh NS1 huyết bệnh nhân sốt xuất huyết Dengue Từ khóa: Sốt xuất huyết Dengue; Hạt nano từ tính; Que thử sắc ký miễn dịch từ tính Evaluate the Sensitivity and Specificity of Home-Made Magnetic Immunochromatographic Test Strip Using Magnetic Nanoparticle for Rapid Detection of Dengue NS1 Antigen Summary Objectives: To evaluate the sensitivity and specificity of immunochromatographic test strips using nanoparticles from the detection of NS1 antigen of Dengue virus Subjects and methods: Using magnetic nanoparticles with NS1 antigen-specific monoclonal antibodies combined with a reporter enzyme to make magnetic immunochromatographic test strips, applying NS1 detection in actively NS1 spiked samples and patient serum to determine threshold, sensitivity and specificity Results: The threshold comes up with a limit of detection of spiked NS1 for serotypes are 0.025 ng/mL of DENV-1 and DENV-3; 0.01 ng/mL of DENV-2 and 0.1 ng/mL DENV-4 The sensitivity and specificity of nanomagnetic ICT were 100%, higher than the commercial Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, USA) and there is no crossreactivity with the recombinant NS1 antigen of Zika, Chikungunya, Japanese Encephalitis, HBV and HCV Conclusion: The magnetic nanoparticle strip test holds a great potential to be applied to NS1 detection in the sera of Dengue haemorrhagic fever patients * Keywords: Dengue haemorrhagic fever; Magnetic nanoparticle; Immunochromatographic strip test Bộ môn - Khoa Truyền nhiễm, Bệnh viện Quân y 103, Học viện Quân y Ban Khoa học Quân sự, Bệnh viện Quân y 103, Học viện Quân y Người phản hồi: Đỗ Như Bình (nhubinh.do@vmmu.edu.vn) Ngày nhận bài: 05/5/2021 Ngày bi bỏo 26/5/2021 40 Tạp chí y - dợc học qu©n sù sè 5-2021 ĐẶT VẤN ĐỀ Sốt xuất huyết Dengue (SXHD) bệnh truyền nhiễm lây truyền qua muỗi gây virus Dengue, bao gồm týp DENV-1, DENV-2, DENV-3 DENV-4; đó, DENV-2 týp thường hay gây biến chứng nguy hiểm cho người bệnh [1, 7] Đây coi mười nguyên nhân hàng đầu tỷ lệ mắc bệnh, tử vong tồn giới Theo ước tính WHO, có khoảng 3,9 tỷ người sống 128 quốc gia có nguy nhiễm virus Dengue Bệnh ảnh hưởng đến khoảng 100 triệu người năm, số có khoảng 500.000 người phát triển thành thể nặng có > 25.000 người, chủ yếu trẻ em tử vong toàn giới [8] Tại Việt Nam, SXHD trở thành dịch hàng năm týp virus Dengue xác định lưu hành, phân bố khắp nước Biểu lâm sàng chủ yếu bệnh sốt cấp diễn xuất huyết với nhiều dạng khác nhau, đặc biệt dẫn đến tử vong giảm lượng máu lưu hành dẫn đến tình trạng sốc [1] Việc chẩn đốn xác định nhanh tình trạng sốt có phải virus Dengue hay không từ ngày đầu nhu cầu cấp thiết, đặc biệt với týp virus nguy hiểm DENV-2 Hiện nay, chẩn đoán SXHD que thử sắc ký miễn dịch phát kháng nguyên NS1 ưu tiên nghiên cứu thời gian trả kết nhanh dễ thực Đa số nghiên cứu sử dụng hạt nano vàng làm chất đánh dấu tạo cộng hợp chế tạo que thử Tuy nhiên, hạn chế kỹ thuật so với kỹ thuật chẩn đốn khác ELISA, RTPCR có độ nhạy thấp [2, 3, 4, 6] Một số nghiên cứu gần cho thấy sử dụng hạt nano/bi từ cho phép định lượng cường độ tín hiệu tồn lớp nitrocellulose vị trí vạch tín hiệu [5, 8] Ngoài ra, sắc ký miễn dịch sử dụng hạt nano/bi từ cịn có ưu điểm nâng cao độ nhạy phát lên hàng chục lần nhờ khả làm giàu mẫu công nghệ phân tách từ tính [5] Trong nghiên cứu này, chúng tơi kết hợp hạt nano từ tính với kháng thể đơn dịng đặc hiệu kháng nguyên NS1 kết hợp khuếch đại tín hiệu màu enzyme để tạo que thử nano từ tính nhằm: Đánh giá độ nhạy độ đặc hiệu que thử sắc ký miễn dịch nano từ tính tự tạo phát nhanh kháng nguyên NS1, giúp chẩn đoán nhanh bệnh SXHD VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu, hóa chất thiết bị nghiên cứu * Vật liệu: - Mẫu huyết thanh: Các mẫu bệnh phẩm, có 50 mẫu người khỏe mạnh 70 mẫu dương tính với Dengue kiểm chứng RT-qPCR, thu thập Khoa Truyền nhiễm, Bệnh viện Quân y 103 - Que thử sắc ký miễn dịch nano từ tính: Que thử (do nhóm nghiên cứu tự chế tạo) có cấu tạo gồm cặp kháng thể kháng NS1 có mã hiệu HM164 HM026 (East Coast Bio, Mỹ), HM164 l 41 Tạp chí y - dợc học quân sè 5-2021 kháng thể bắt giữ gắn que thử (1,5 µg/cm màng nitrocellulose HF120) vị trí vạch thử nghiệm HM026 kháng thể phát gắn hạt nano từ (kích thước = 100 nm lượng sử dụng 0,5 µl/phản ứng) biotin hóa Vạch kiểm chứng kháng thể đa dịng kháng IgG chuột Que thử hoạt động theo nguyên lý Sandwich, kết dương tính cho hai vạch màu vàng (màu hạt nano từ), màu enzyme cho hai vạch màu xanh (phản ứng chất TMB với Biotin-Streptavidin gắn HRP) * Hóa chất: Kháng nguyên Dengue virus NS1 tái tổ hợp serotype 1-4 Cụ thể: DENV1-NS1 chủng Nauru/Western Pacific/1974; DENV2-NS1 chủng Thailand/16681/84; DENV3-NS1 chủng Sri Lanka D3/H/IMTSSA-SRI/2000/1266; DENV4-NS1 chủng Dominica/814669/1981 Cộng hợp Streptavidin-PolyHRP 80 65R-S118 (Fitzgerald, Mỹ) NHS-Biotin (Sigma-Aldrich) Đệm PBS pH 7,4 có bổ sung thêm 0,5% BSA 0,01% Tween 20 * Thiết bị: Máy vortex (Labnet); Giá từ (Invitrogen); Pipet đơn kênh; Một số thiết bị thơng thường khác trang bị phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu * Xác định ngưỡng phát hiện, phản ứng chéo que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1: Để đánh giá ngưỡng phát que thử, týp kháng nguyên NS1 tái tổ hợp nhiễm chủ động vào đệm chạy với nồng độ biến đổi từ - 0,05 ng/ml/týp, tiến hành cô đặc nhúng que thử Đánh giá kết nhiệt độ phòng sau 10 phút 42 Sau que thử hút hết dịch, cộng hợp gắn HRP pha loãng 200 lần (tương ứng với nồng độ cộng hợp 0,25 µg/ml) tiếp tục nhỏ vào que thử Sau hút hết dịch ống, bổ sung thêm 50 µl đệm chạy để đẩy hết lượng cộng hợp dư que thử Sau hút hết đệm, que thử màu 200 µl chất TMB Tiếp tục đọc kết 10 phút Để thử nghiệm phản ứng chéo que thử sắc ký miễn dịch kẹp đôi phát nhanh NS1, chúng tơi tiến hành phân tích với protein NS1 tái tổ hợp virus Zika, Chikungunya, Viêm não Nhật Bản với nồng độ 100 ng/ml/que thử Các mẫu HBV HCV nhiễm chủ động 106 phiên thể gen/que thử * Xác định độ nhạy độ đặc hiệu que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 virus Dengue mẫu bệnh phẩm: Để xác định độ nhạy độ đặc hiệu que thử, 70 mẫu huyết dương tính 50 mẫu huyết âm tính với virus Dengue (đã kiểm tra RTqPCR) pha lỗng 10 lần đệm chạy, sau tiến hành phân tích theo quy trình mục 2.1 Đồng thời, so sánh kết với que thử thương mại Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, Mỹ) * Thời gian địa điểm nghiên cứu: - Thời gian: Từ 8/2020 - 3/2021 - Địa điểm nghiên cứu: Viện Nghiên cứu Y Dược học Quân sự, Học viện Quân y; Khoa Truyền nhiễm, Bệnh viện Quân y 103 * Xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm STATA 14.0 T¹p chÝ y - dợc học quân số 5-2021 KT QU NGHIÊN CỨU Xác định ngưỡng phát hiện, phản ứng chéo que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 * Ngưỡng phát que thử: - Trước nhỏ chất TMB: Hình 1: Ngưỡng phát que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 khơng màu cộng hợp Streptavidin-PolyHRP80 Số que thử nồng độ kháng nguyên NS1 tái tổ hợp nhiễm chủ động týp; CL: Vạch kiểm chứng; TL: Vạch thử nghiệm Kết hình cho thấy que thử phát kháng nguyên NS1 từ mức nhiễm chủ động 0,25 ng/ml týp týp 3; 0,1 ng/ml týp ng/ml týp - Sau nhỏ chất TMB: Hình 2: Ngưỡng phát que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 phản ứng màu cộng hợp Streptavidin-PolyHRP80 Số que thử nồng độ kháng nguyên NS1 tái tổ hợp nhiễm chủ động týp; CL: vạch kiểm chứng; TL: vạch thử nghiệm Khi tiến hành màu cộng hợp enzyme chất TMB, que thử phát NS1 từ mức nhiễm chủ động 0,025 ng/ml týp týp 3; 0,01 ng/ml týp 0,1 ng/ml týp Như vậy, độ nhạy que thử tăng 10 lần so với phương pháp chạy que thử thơng thường 43 T¹p chí y - dợc học quân số 5-2021 * Phản ứng chéo que thử: B Đã màu enzyme A Chưa màu enzyme Hình 3: Thử nghiệm đánh giá phản ứng chéo que thử sắc ký miễn dịch từ tính với NS1 virus khác (1) NS1 virus Zika tái tổ hợp (100 ng/ml); (2): Virus Chikungunya; (3): Virus Viêm não Nhật Bản; (4): HBV; (5): HCV; (6): Mẫu dương tính NS1 (1 ng/ml); TL: Vạch thử nghiệm; CL: Vạch kiểm chứng Kết cho thấy que thử khơng có phản ứng chéo với kháng nguyên NS1 tái tổ hợp chủng virus Zika, kháng nguyên NS1 Flaviviridae virus khác thử nghiệm mức nồng độ cao nhiều lần so với thường gặp thực tế Bên cạnh đó, khơng có phản ứng chéo với tác nhân HBV HCV, hai virus hay gặp với tỷ lệ người nhiễm cao Việt Nam Xác định độ nhạy độ đặc hiệu que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 virus Dengue mẫu bệnh phẩm Bảng 1: Kết thử nghiệm mẫu bệnh phẩm hai loại que thử phát nhanh NS1 Que thử Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, Mỹ) Que thử phát triển nghiên cứu 44 Kết dương tính phân tích que thử Kết âm tính phân tích que thử Dương tính với RT-qPCR 66 (PA) (ND) Âm tính với RT-qPCR (PD) 50 (NA) Dương tính với RT-qPCR 70 (PA) (ND) Âm tính với RT-qPCR (PD) 50 (NA) T¹p chÝ y - dợc học quân số 5-2021 Kt qu cho thy, phân tích que thử thương mại, số 70 mẫu bệnh phẩm dương tính có 66 mẫu dương tính thực mẫu âm tính Trái lại, với que thử nano từ tính phát tồn 70 mẫu bệnh phẩm dương tính, mẫu phát phản ứng màu enzyme với chất TMB kiểm tra nested RT-PCR Như vậy, tập hợp mẫu thử nghiệm, độ nhạy que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 đạt 100% độ đặc hiệu đạt 100%, cao so với que thử thương mại sử dụng phổ biến Việt Nam Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, Mỹ) với độ nhạy đạt 94,3% độ đặc hiệu đạt 100% BÀN LUẬN Theo công bố số nhà sản xuất que thử thương mại lưu hành thị trường Việt Nam que thử Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, Mỹ), que thử Panbio® Dengue Early Rapid (Hàn Quốc) có ngưỡng phát với kháng nguyên NS1 tái tổ hợp týp sau: 0,75 ng/ml týp 1; 0,25 ng/ml týp 2; 3,5 ng/ml týp 2,4 ng/ml týp [2, 4] Như vậy, với ngưỡng phát NS1 trình bày trên, độ nhạy que thử phát triển nghiên cứu cao nhiều, đặc biệt với týp DENV-2, độ nhạy phát cao gấp 25 lần so với que thử thương mại Về phản ứng chéo que thử, độ tương đồng trình tự protein NS1 chủng virus Dengue chủng virus Zika đạt tới 44%, ngồi cịn số virus khác Chikungunya, viêm não Nhật Bản, West Nile Do vậy, tiến hành sử dụng que thử từ tính phát NS1 tái tổ hợp Flaviviridae virus trên, kết cho thấy que thử phát triển nghiên cứu có tính đặc hiệu cao, cho phép chẩn đoán phân biệt NS1 từ loài Flaviviridae virus khác Độ nhạy độ đặc hiệu phụ thuộc nhiều vào kháng thể sử dụng Các phương pháp miễn dịch phát kháng ngun NS1 dựa cấu hình kẹp đơi vốn yêu cầu cặp kháng thể có lực cao có khả nhận biết hai yếu tố định kháng nguyên khác NS1 Do virus Dengue có kiểu huyết với trình tự acid amin NS1 có độ tương đồng khơng cao nên việc lựa chọn tổ hợp kháng thể cho phép phát NS1 từ tất kiểu huyết có ý nghĩa quan trọng, định tính xác phương pháp phân tích [6] Cặp kháng thể đơn dòng kháng NS1 sử dụng que thử sắc ký miễn dịch từ tính chúng tơi hồn tồn đáp ứng u cầu Thêm vào đó, hạt nano từ tính với kích thước nhỏ có nhiều ưu diện tích bề mặt lớn, ổn định lâu dài khả di chuyển lên màng dễ dàng hạt nano vàng tránh khả bị tụ màng hạt nano carbon So với cách phát dựa tín hiệu quang học (có màu, huỳnh quang) cho phép quan sát tín hiệu bề mặt màng nitrocellulose, sử dụng hạt nano từ cho phép định lượng cường độ tín hiệu tồn lớp nitrocellulose vị trí vạch tín hiệu Do vậy, ngồi khả định lượng, sắc ký 45 T¹p chÝ y - dợc học quân số 5-2021 dch s dng hạt nano từ cịn có ưu điểm nâng cao độ nhạy phát lên hàng chục lần [5] Một ưu điểm khác việc sử dụng hạt nano từ làm cộng hợp phát kỹ thuật sắc ký miễn dịch khả làm giàu mẫu công nghệ phân tách từ tính nên dùng cộng hợp phát với hạt nano từ để cô đặc mẫu trước phân tích que thử sắc ký miễn dịch [8], với việc sử dụng cộng hợp phát khuếch đại tín hiệu phức hợp streptavidine gắn enzyme HRP tương tự ELISA giúp cho que thử nano từ tính có độ nhạy, độ đặc hiệu độ xác đạt 100%, cao que thử sử dụng hạt nano vàng tương đương với phương pháp định lượng RT-PCR KẾT LUẬN Que thử nano từ tính phát nhanh kháng nguyên NS1 theo nguyên lý Sandwich, có ngưỡng phát NS1 nồng độ thấp (0,1 - 0,01 ng/ml) Khơng có phản ứng chéo với Flaviviridae virus khác Zika, Chikungunya hay virus viêm não Nhật Bản Que thử có khả chẩn đốn trường hợp khơng có bệnh trường hợp mắc SXHD thực 100%, cao so với que thử thương mại Dengue Ag Rapid Test CE (CTK Biotech, Mỹ) TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Y tế Hướng dẫn chẩn đoán, điều trị sốt xuất huyết Dengue Ban hành kèm theo 46 Quyết định số 458/QĐ-BYT ngày 16 tháng 02 năm 2011 Bộ trưởng Bộ Y tế 2011 Hang VT, Nguyet NM, Trung DT, Tricou V, Yoksan S, et al Diagnostic accuracy of NS1 ELISA and lateral flow rapid tests for Dengue sensitivity, specificity and relationship to viraemia and antibody responses PLoS Negl Trop Dis 2009 Jan; 3(1):e360 Cucunawangsih, Nata Pratama Hardjo Lugito Trends of Dengue disease epidemiology Virology: Research and treatment SAGL Journals 2017; (8):1-6 Dussart P, Petit L, Labeau B, Bremand L, Leduc A, et al Evaluation of two new commercial tests for the diagnosis of acute dengue virus infection using ns1 antigen detection in human serum PLoS Negl Trop Dis 2008; 2(8): e280 Mingyuan Gao et al Lateral Flow Immunochromatographic Assay for sensitive pesticide detection by using Fe3O4 nanoparticle aggregates as color reagents Anal Chem 2011; 83(17), 6778-6784 Jihoo Lee et al Development and clinical evaluation of a highly accurate Dengue NS1 rapid test: From the preparation of a soluble NS1 antigen to the construction of an RDT Diagnostic Microbiology and Infectious Disease 2015; 82:128-134 World Health Organization Global Strategy for Dengue Prevention and Control 2012 - 2020 Geneva, Switzerland: WHO 2012:1-43 Xiaolin Huang, Zoraida P Aguilar, et al Membrane-based lateral flow immunochromatographic strip with nanoparticles as reporters for detection: A review Biosensors and Bioelectronics 2016;75(15): 166-180  ... ngưỡng phát hiện, phản ứng chéo que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 * Ngưỡng phát que thử: - Trước nhỏ chất TMB: Hình 1: Ngưỡng phát que thử sắc ký miễn dịch từ tính phát nhanh NS1 không... nano từ tính nhằm: Đánh giá độ nhạy độ đặc hiệu que thử sắc ký miễn dịch nano từ tính tự tạo phát nhanh kháng nguyên NS1, giúp chẩn đoán nhanh bệnh SXHD VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật... tách từ tính [5] Trong nghiên cứu này, kết hợp hạt nano từ tính với kháng thể đơn dịng đặc hiệu kháng ngun NS1 kết hợp khuếch đại tín hiệu màu enzyme để tạo que thử nano từ tính nhằm: Đánh giá độ